WO1996022673A1 - Process and device for three-dimensional noncontact measurement of the geometry of leads on semiconductor devices - Google Patents

Process and device for three-dimensional noncontact measurement of the geometry of leads on semiconductor devices Download PDF

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WO1996022673A1
WO1996022673A1 PCT/DE1995/001772 DE9501772W WO9622673A1 WO 1996022673 A1 WO1996022673 A1 WO 1996022673A1 DE 9501772 W DE9501772 W DE 9501772W WO 9622673 A1 WO9622673 A1 WO 9622673A1
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light
reflected
component
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PCT/DE1995/001772
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Inventor
John G. Zabolitzky
Original Assignee
Qtec Industrie-Automation Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
    • H05K13/08—Monitoring manufacture of assemblages
    • H05K13/081—Integration of optical monitoring devices in assembly lines; Processes using optical monitoring devices specially adapted for controlling devices or machines in assembly lines
    • H05K13/0813—Controlling of single components prior to mounting, e.g. orientation, component geometry

Definitions

  • the invention relates to a method for three-dimensional, contactless measurement of the geometry of semiconductor connecting legs according to the preamble of the main claim. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out this method.
  • the semiconductor components on the market have different designs.
  • the connecting legs of these elements can be arranged in a row on one side of the component, such as, for.
  • they can be arranged in two rows, for example in the small outline narrow design, or in four rows on four sides of the component, for example in the Quad Fiat Pack (QFP) design will in this context understood every external contact made of different designs.
  • QFP Quad Fiat Pack
  • This can be, for example, gull-wing with SOIC or QFP, J-lead with SOJ, PLCC, or metallic hemispheres with BGA. Since these components are precision components, it is particularly important that the dimensions and the geometry of the connecting legs are within the given, very narrow tolerances.
  • a three-dimensional measurement must take place.
  • the measuring process should be carried out without contact, since the very sensitive connecting legs can easily be damaged.
  • Various methods for measuring the geometry of the connecting legs are known. Such a method represents e.g. B. the laser scanning method. Each leg is scanned with a laser beam, and the information of the reflected light is recorded, registered and evaluated by a sensor unit.
  • Other methods use either only two-dimensional measurement technology or three-dimensional measurement technology using background lighting or light / shadow projection. Since these methods are carried out in transmitted light, the light source and sensor are located on different sides of the component to be measured. With these methods, the connection legs are measured without contact, but the component must be touched for the purpose of positioning within the measuring device. With this handling, damage to the component, e.g. B. Bending of one or more of the connecting legs cannot be excluded.
  • the object of the present invention is to provide a method for specify three-dimensional contactless measurement of the geometry of connection legs in semiconductor components, in which the components remain in the packaging, for example in the tray, during the measurement process and in which the accuracy of the measurement is largely independent of the environmental factors.
  • the component to be measured is illuminated from above over a large area and uniformly.
  • the measurement results are independent of the surface properties of the components to be measured.
  • Two views of the ends of the connecting legs lying in a row and to be measured are simultaneously imaged in a receptacle on a single sensor arrangement. It is immaterial whether the connecting legs of a row in the same plane or z. B. in two, separated by a few millimeters from each other. The two views of the ends of the connecting legs of a row are recorded at one location of each connecting leg by registering the optical data of the light reflected at different angles.
  • the background must be dark so that the light reflected from the surface of the illuminated, bright connecting legs can be detected in the sensor unit. This requirement is generally given by the dark material of the trays and can be supported by a suitable arrangement of the light sources, for example by utilizing the shadow from the body of the component.
  • the essential components of a measuring device for measuring connecting legs in semiconductor components are: a light source which illuminates the component to be measured from a large area and equals, a sensor unit for detecting and imaging the light reflected from the ends of the connecting legs, and one Evaluation unit for evaluating the recorded optical data.
  • the evaluation unit achieves a measuring accuracy that is essentially is higher than the resolution of the sensor unit (e.g. a CCD camera).
  • the resolution is in the range of 1/10 to 1/100 pixels. It is the so-called sub-pixel process.
  • the special combination of the individual components is important for the invention.
  • an optical arrangement for deflecting the reflected light rays is provided for the measuring device.
  • the optical deflection arrangement is advantageously formed by optical mirrors. At least one mirror is required for each row of connecting legs. If the light reflected from several rows of the connecting legs is to be imaged on a single sensor unit in a single receptacle, then several mirrors are required (e.g. four rows require at least four mirrors).
  • the method and measuring device according to the invention enable the arrangement of all measuring components on one side of the component to be measured at a distance of several millimeters from the component. Therefore, the measuring device can be moved over a tray with components without mechanical collision, or the tray under the measuring device.
  • Both the positioning and the measurement can be carried out without touching a component by merely positioning the tray as a whole. Furthermore, it is advantageous that the measurement can be carried out with only one sensor unit, since such an arrangement is inexpensive and the measuring operation is easy to handle. This also results in a low maintenance, adjustment and calibration effort.
  • the measuring device works with only one sensor unit, z. B. with only one CCD camera on which both views are imaged in the form of a picture, which by means of an optical arrangement which deflects the beam path of the second view of the end of the connecting leg in such a way that it reaches the sensor unit of the sensor arrangement and is imaged there is made possible.
  • the beam paths of the reflected light directed directly to the sensor element and the deflected light are parallel (telecentric image), as already described above.
  • a measuring head with a sensor unit, lighting and a Spiegelanordnug with several mirrors, the components being fixed relative to each other, can have a deviation in its positioning to the component by several 0.1 millimeters without affecting the accuracy of measurement. This is only dependent on the constancy of the relative position of the individual components of the measuring head. These can be rigidly connected to one another. The exact mounting of the mirrors in positions determined by the design is not necessary. Rather, the mirrors can be mounted with large tolerances (0.1mm).
  • the measuring device After a rigid connection has been established between the optical deflection arrangement (mirrors) and the sensor unit (CCD camera), the measuring device itself can first measure the exact positions and angles of the mirrors using a suitable calibration piece. This takes place in that several image recordings are offset against one another, which, when the measuring head is shifted by a few 0.1 mm each, from one and the same calibration piece (for example exactly measured, rectangular metal plate). All mounting angles and mounting positions of all mirrors can be calculated from the different locations, o the edges of the calibration piece at different positions of the measuring head, according to the known stereometric formulas. After the calibration process, the accuracy is maintained as long as the rigid connection between the mirror and the camera is not released.
  • Fig. 1 A sketch that explains the principle of the method.
  • FIG. 2 shows a basic sketch of the method with an optical deflection arrangement with two mirrors each.
  • Fig. 3 An image in the sensor unit when measuring a component with two rows of connecting legs.
  • FIG. 4 shows an image in the sensor unit when measuring a component with four rows of connecting legs.
  • Fig. 5 is a schematic diagram of the construction of the measuring head of the measuring device.
  • a semiconductor device 1 is shown schematically with two rows of legs arranged on two sides.
  • the semiconductor component 1 is illuminated from above by a light source arrangement 9 over a large area.
  • the light reflected from the end of each connecting leg 2 is detected by a sensor unit image (K1, K2).
  • K1, K2 Only two views of the ends of the connecting legs 2 of a row are necessary in order to measure the row three-dimensionally.
  • the figure Kl The first view shows the coordinates x ⁇ y ⁇ , x ⁇ y ⁇ and x ⁇ y- »for the three different connecting legs 2.
  • This view shows the xy plane of the connecting legs.
  • the second view K2 of the ends of the connecting legs 2 shows the plane xz '.
  • the coordinates here are X3Z3 - unc x 1 z ⁇ • D: i - e two beam paths A, B (the first and the second view) run at an angle t to each other.
  • the third dimension (z coordinate) is given to each connecting leg
  • the schematic diagram explains that a three-dimensional measurement of the same is possible due to the recording and measurement of two views of each connection leg 2 of a row.
  • the rays B reflected from the second view of each connecting leg 2 are projected onto the sensor unit 7 by an optical deflection arrangement.
  • the first view of the end of the leg is imaged directly on the sensor unit 7 (beam path A) and the second view on the same sensor unit 7 (for example on the same CCD chip) by the reflected light beam B first striking a mirror 3 and it is reflected so that it runs parallel to the first beam path A and strikes the sensor unit 7.
  • the image formed on sensor unit 7 in this arrangement of connecting legs is shown in FIG.
  • the entire component 1 is shown in the middle of the picture; the two rows of connecting legs 2 are shown to the side of the picture.
  • the image of the connecting legs and the Component 1 arises from the direct recording of the reflected beam path A on the sensor unit, the lateral images result from the imaging of the reflected beam path B deflected by the optical deflection arrangement (mirror 3) of the second view of the connecting leg row 2.
  • FIG. 4 shows an image of the sensor unit which arises when measuring a component 1 with four rows of connecting legs.
  • FIG. 2 shows a possible arrangement in which a component 1 is so large that the exterior mirror views could only be reproduced disadvantageously, and in which such a deflection of the It is possible for the beam path that the optical data of the two views of the connection legs lying on the inside of the sensor unit can be imaged, registered and measured.
  • the measuring head has a housing 6, a sensor unit 7 in the form of a CCD camera with a telecentric measuring lens 8, and an evaluation unit 12.
  • the housing 6 also serves as a light tube for the light source arrangement 9.
  • the light source arrangement 9 has an elongated light source 10 extending in the direction of extension of the tube 6 and a wall 11, which consists, for example, of frosted glass.
  • the light source 9 can be formed by individual light bulbs, fluorescent tubes, LEDs or discharge lamps.
  • the wall 11 ensures that the luminous bodies form a diffuse light, which measure for the large-area and equally moderate lighting of the component 1 to be measured and its connecting legs 2 is essential.
  • the mirrors 3, 4 are also arranged in the housing 6.

Abstract

Described is a process for noncontact three-dimensional measurement of the geometry of leads (2) on semiconductor devices (1) that have leads (2) on four sides in four rows. The device (1) to be measured and thus the leads (2) are extensively illuminated by diffuse light and the reflected light (A, B) in two views of the ends of the arrayed leads (2) is imaged simultaneously by a single sensor unit (7). The reflected light (A) in the first view reaches the sensor unit (7) directly. The reflected light (B) in the second view reaches the same sensor unit (7) by way of optical deflection arrangements (3, 4). From these optical data an evaluation unit (12) calculates the three-dimensional position (x, y, z) of the leads (2).

Description

Verfahren und Einrichtung zur dreidimensionalen, berührungslo¬ sen Vermessung der Geometrie von Anschlußbeinen bei Halblei¬ ter-Bauelementen.Method and device for three-dimensional, contactless measurement of the geometry of connection legs in semiconductor components.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen, berührungslosen Vermessung der Geometrie von Halbleiter-An¬ schlußbeinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchfüh¬ rung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for three-dimensional, contactless measurement of the geometry of semiconductor connecting legs according to the preamble of the main claim. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out this method.
Die auf dem Markt befindlichen Halbleiterbauelemente weisen unterschliedliche Bauformen auf. Die Anschlußbeine dieser Ele¬ mente können in einer Reihe an einer Seite des Bauelementes angeordnet sein, wie z. B. bei Leistungshalbleitern, sie kön¬ nen in zwei Reihen, wie zum Beispiel bei der Bauform small outline narrow oder in vier Reihen an vier Seiten des Bauele¬ mentes wie zum Beispiel bei der Bauform Quad Fiat Pack (QFP) angeordnet sein.Unter Anschlußbein wird in diesem Zusammenhang jede nach außen geführte metallische Kontaktierung verschiede ner Bauformen verstanden. Dies kann z.B. gull-wing bei SOIC oder QFP sein, J-lead bei SOJ, PLCC, oder metallische Halbku¬ geln bei BGA. Da es sich bei diesen Bauelementen um Präzisi¬ onsbauteile handelt, ist es von besonderer Bedeutung, daß die bmessungen und die Geometrie der Anschlußbeine im Rahmen der gegebenen, sehr engen Toleranzen liegen. Um feststellen zu können, daß die Geometrie der Anschlußbeine noch innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegt, muß eine dreidimensionale Mes¬ sung stattfinden. Der Messvorgang soll berührungslos durchge¬ führt werden, da die sehr empfindlichen Anchlußbeine leicht beschädigt werden können. Es sind verschiedene Verfahren zu Vermessung der Geometrie der Anschlußbeine bekannt. Ein sol¬ ches Verfahren stellt z. B. das Laser-scanning-Verfahren dar. Dabei wird jedes Anschlußbein mit einem Laserstrahl abgeta¬ stet, und die Information des reflektierten Lichtes durch eine Sensoreinheit aufgenommen, registriert und ausgewertet. Andere Verfahren verwenden entweder nur zweidimensionale Meßtechnik oder dreidimensionale Meßtechnik unter Verwendung von Hinter¬ grundbeleuchtung oder Licht/ Schattenprojektion.Da diese Ver¬ fahren im Durchlicht durchgeführt werden befinden sich Licht¬ quelle und Sensor auf verschiedenen Seiten des zu vermessenden Bauteiles. Die Vermessung der Anschlußbeine erfolgt bei diesen Verfahren zwar berührungslos, jedoch ist eine Berührung des Bauteiles zum Zwecke der Positionierung innerhalb der Meßein¬ richtung erforderlich. Bei dieser Handhabung kann eine Beschä¬ digung des Bauteiles, z. B. Verbiegen eines oder mehrerer der Anschlußbeine nicht ausgeschlossen werden.The semiconductor components on the market have different designs. The connecting legs of these elements can be arranged in a row on one side of the component, such as, for. In the case of power semiconductors, for example, they can be arranged in two rows, for example in the small outline narrow design, or in four rows on four sides of the component, for example in the Quad Fiat Pack (QFP) design will in this context understood every external contact made of different designs. This can be, for example, gull-wing with SOIC or QFP, J-lead with SOJ, PLCC, or metallic hemispheres with BGA. Since these components are precision components, it is particularly important that the dimensions and the geometry of the connecting legs are within the given, very narrow tolerances. In order to be able to determine that the geometry of the connecting legs is still within the specified tolerances, a three-dimensional measurement must take place. The measuring process should be carried out without contact, since the very sensitive connecting legs can easily be damaged. Various methods for measuring the geometry of the connecting legs are known. Such a method represents e.g. B. the laser scanning method. Each leg is scanned with a laser beam, and the information of the reflected light is recorded, registered and evaluated by a sensor unit. Other methods use either only two-dimensional measurement technology or three-dimensional measurement technology using background lighting or light / shadow projection. Since these methods are carried out in transmitted light, the light source and sensor are located on different sides of the component to be measured. With these methods, the connection legs are measured without contact, but the component must be touched for the purpose of positioning within the measuring device. With this handling, damage to the component, e.g. B. Bending of one or more of the connecting legs cannot be excluded.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur dreidimensionalen berührungslosen Vermessung der Geometrie von Anschlußbeinen bei Halbleiter-Bauelementen anzugeben, bei dem die Bauelemente während des Messvorganges in der Verpackung, z.B. im Tray verbleiben, und bei dem die Genauigkeit der Mes¬ sung von den Umgebungseinflußfaktoren weitgehend unabhänig ist.The object of the present invention is to provide a method for specify three-dimensional contactless measurement of the geometry of connection legs in semiconductor components, in which the components remain in the packaging, for example in the tray, during the measurement process and in which the accuracy of the measurement is largely independent of the environmental factors.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des im Anspruch 1 angege¬ benen Verfahrens gelöst. Eine Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 5 angegeben. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.This object is achieved by the features of the method specified in claim 1. A measuring device for performing the method is specified in claim 5. The subclaims represent advantageous developments.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu vermessende Bauelement von oben großflächig und gleichmäßig beleuchtet. Durch derartige Beleuchtung des zu messenden Bauteiles und der Anschlußbeine ist erreicht, daß die Messergebnisse von den Oberflächeneigenschaften der zu vermessenden Bauelemente unab¬ hänig sind. Es werden zwei Ansichten der Enden der in einer Reihe liegenden, zu vermessenden Anschlußbeine auf einer ein¬ zigen, Sensoranordnung in einer Aufnahme gleichzeitig abgebil¬ det. Dabei ist es unwesentlich, ob die Anschlußbeine einer Reihe in derselben Ebene oder z. B. in zwei, um einige Milli¬ meter voneinander getrennten Ebenen liegen. Die zwei Ansichten der Enden der Anschlußbeine einer Reihe werden an einer Stelle eines jeden Anschlußbeines durch die Registrierung der opti¬ schen Daten des unter verschiedenen Winkeln reflektierten Lichts aufgenommen. Es wird jeweils nur eine einzige Aufnahme der beiden Ansichten benötigt, um in einer Auswerteeinheit rechnerisch die dreidimensionale Position des Anschlußbeines mittels stereoskopischer Auswertung zu bestimmen. Bei Bauele- menten, bei denen die Anschlußbeine vierseitig angeordnet sind, sind es acht Ansichten, die abgebildet werden. Die Ab¬ bildung dieser Ansichten wird auf einer einzigen Sensorein¬ heit vorgenommen. Diese Ausführungsform der Meßeinrichtung ist kostengünstig. Bei nur einer Abbildung des reflektierten Lichts auf nur einer Sensoreinheit wird das von zwei Ansichten des Endes des Anschlußbeines reflektierte Licht über optische Anordnungen so umgelenkt, daß es zu der einen gemeinsamen Sen¬ soreinheit gelangt und dort abgebildet wird. Die Beleuchtung kann dauernd eingeschaltet sein oder es kann sich um eine Blitz- Beleuchtung nur für die Zeit der Aufnahme handeln. Die Blitz-Beleuchtung ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Bauelemente in Bewegung vermessen werden sollen. Damit in der Sensoreinheit das von der Oberfläche der beleuchteten, hellen Anschlußbeine reflektierte Licht nachgewiesen werden kann, muß der Hintergrund dunkel sein. Diese Forderung ist im allgemei¬ nen durch das dunkle Material der Trays gegeben und kann durch eine geeignete Anordnung der Lichtquellen unterstützt werden, indem z.B. der Schatten vom Körper des Bauteiles ausgenützt wird.In the method according to the invention, the component to be measured is illuminated from above over a large area and uniformly. By illuminating the component to be measured and the connecting legs in this way, the measurement results are independent of the surface properties of the components to be measured. Two views of the ends of the connecting legs lying in a row and to be measured are simultaneously imaged in a receptacle on a single sensor arrangement. It is immaterial whether the connecting legs of a row in the same plane or z. B. in two, separated by a few millimeters from each other. The two views of the ends of the connecting legs of a row are recorded at one location of each connecting leg by registering the optical data of the light reflected at different angles. Only a single recording of the two views is required in each case in order to arithmetically determine the three-dimensional position of the connecting leg in an evaluation unit by means of stereoscopic evaluation. For construction elements in which the connecting legs are arranged on four sides, there are eight views that are shown. These views are displayed on a single sensor unit. This embodiment of the measuring device is inexpensive. With only one image of the reflected light on only one sensor unit, the light reflected from two views of the end of the connecting leg is deflected via optical arrangements in such a way that it reaches the one common sensor unit and is imaged there. The lighting can be switched on permanently or it can be flash lighting only for the time of the recording. Flash lighting is particularly advantageous when the components are to be measured in motion. The background must be dark so that the light reflected from the surface of the illuminated, bright connecting legs can be detected in the sensor unit. This requirement is generally given by the dark material of the trays and can be supported by a suitable arrangement of the light sources, for example by utilizing the shadow from the body of the component.
Die wesentlichen Bestandteile einer Meßeinrichtung zur Vermes¬ sung von Anschlußbeinen bei Halbleiterbauelementen sind: eine Lichtquelle, die großflächig und geich äßig das zu vermessende Bauelement von oben beleuchtet, eine Senoreinheit, zum Nachweis und zur Abbildung des von den Enden der Anschlußbeine reflektierten Lichts, und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der aufgenommenen optischen Daten. Die Auswerteeinheit er¬ reicht durch die Interpolation und Mittelwertbildung im digi¬ talisierten Graubild eine Meßgenauigkeit, die wesentlich bes- ser ist,als die Auflösung der Sensoreinheit (z.B. einer CCD Kamera). Die Auflösung liegt im Bereich 1/10 bis 1/100 Bild¬ punkt. Es handelt sich um das sog. Subpixel-Verfahren. Wichtig für die Erfindung ist jedoch die besondere Kombination der einzelnen Bauteile. Ferner ist für die Meßeinrichtung eine op¬ tische Anordnung für die Umlenkung der reflektierten Licht¬ strahlen vorgesehen. Durch die Umlenkung des Strahlenganges des reflektierten Lichtes der zweiten Ansicht ist die Aufnahme von zwei Ansichten der Enden der Anschlußbeine mit nur einer einzigen Sensoreinheit möglich. Die optische Umlenkanordnung ist vorteilhafterweise durch optische Spiegel gebildet. Für jede Anschlußbeinereihe ist mindestens ein Spiegel erfor¬ derlich. Soll also das von mehreren Reihen der Anschlußbeine reflektierte Licht auf einer einzigen Sensoreinheit in einer einzigen Aufnahme abgebildet werden, so sind mehrere Spiegel erforderlich (z. B. bei vier Reihen sind mindestens vier Spie¬ gel erforderlich). Das erfindungsgemäße Verfahren und Meßein¬ richtung ermöglichen die Anordnung sämtlicher Meßbauteile auf einer Seite des zu vermessenden Bauelementes mit dem Abstand von mehreren Millimetern zum Bauelement. Daher kann die Meßeinrichtung ohne mechanische Kollision über einem Tray mit Bauelementen verfahren werden, oder das Tray unter der Meßein¬ richtung. Ohne Berührung eines Bauteiles kann sowohl die Posi¬ tionierung als auch die Vermessung durchgeführt werden, indem lediglich das Tray als ganzes positioniert wird. Ferner ist es vorteilhaft, daß die Messung mit nur einer Sensoreinheit durchgeführt werden kann, da eine solche Anordnung kostengün¬ stig und der Meßbetrieb einfach handhabbar ist. Daraus ergibt sich auch ein geringer Wartungs-, Justage- und Kalibrierauf¬ wand. Die Meßeinrichtung arbeitet mit nur einer Sensoreinheit, z. B. mit nur einer CCD-Kamera auf der beide Ansichten in Form einer Aufnahme abgebildet werden, was durch eine optische An¬ ordnung , die den Strahlengang der zweiten Ansicht des Endes des Anschlußbeines so umlenkt, daß dieser zur Sensoreinheit der Sensoranordnung gelangt und dort abgebildet wird, ermög¬ licht wird. Dabei sind die Strahlengänge des direkt zu dem Sensorelement geführten reflektierten Lichts und des umgelenk¬ ten Lichts paralell (telezentrische Abbildung),wie bereits oben beschrieben. Die Anforderungen an die mechanische Genau¬ igkeit der beschriebenen Meßeinrichtung bzw.des Meßkopfes derselben und die Positionierung zu dem zu vermessenden Bau¬ element selbst bei Einsatz von mehreren Spiegeln verhältnismä¬ ßig einfach erfüllbar. Ein Meßkopf mit einer Sensoreinheit, Beleuchtung und einer Spiegelanordnug mit mehreren Spiegeln, wobei die Bauteile relativ zueinander fest montiert sind, kann eine Abweichung in seiner Positionierung zum Bauelement , um mehrere 0,1 Millimeter aufweisen ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit. Diese ist lediglich von der Konstanz der rela¬ tiven Position der einzelnen Bauteile des Meßkopfes abhängig. Diese können starr miteinander verbunden werden. Die exakte Montage der Spiegel auf konstruktiv festgelegten Positionen ist nicht erforderlich. Vielmehr können die Spiegel mit großen Toleranzen (0,1mm) montiert werden. Nachdem eine starre Ver¬ bindung zwischen der optischen Umlenkanordnung (Spiegeln) und der Sensoreinheit (CCD-Kamera) hergestellt wurde, kann mittels eines geeigneten Kalibrierstückes die Meßeinrichtung selbst zunächst die exakten Positionen und Winkel der Spiegel vermes¬ sen. Dies geschieht, indem mehrere Bild-Aufnahmen gegeneinander verrechnet werden,die bei um jeweils einige 0,1 mm verschobe¬ nem Meßkopf von ein und demselben Kalibrierstück (z.B. exakt vermessenes, recheckiges Metallplättchen) gemacht werden. Sämtliche Montagewinkel und Montagepositionen aller Spiegel können aus den unterschiedlichen Orten, o die Kanten des Kali¬ brierstückes bei verschiedenen Positionen des Meßkopfes gese¬ hen werden, nach den bekannten stereometrschen Formeln be¬ rechnet werden. Nach dem Kalibrierprozess bleibt die Genauigkeit erhalten, solange die starre Verbindung zwischen Spiegeln und Kamera nicht gelöst wird.The essential components of a measuring device for measuring connecting legs in semiconductor components are: a light source which illuminates the component to be measured from a large area and equals, a sensor unit for detecting and imaging the light reflected from the ends of the connecting legs, and one Evaluation unit for evaluating the recorded optical data. Through the interpolation and averaging in the digitalized gray image, the evaluation unit achieves a measuring accuracy that is essentially is higher than the resolution of the sensor unit (e.g. a CCD camera). The resolution is in the range of 1/10 to 1/100 pixels. It is the so-called sub-pixel process. However, the special combination of the individual components is important for the invention. Furthermore, an optical arrangement for deflecting the reflected light rays is provided for the measuring device. By deflecting the beam path of the reflected light of the second view, it is possible to take two views of the ends of the connecting legs with only a single sensor unit. The optical deflection arrangement is advantageously formed by optical mirrors. At least one mirror is required for each row of connecting legs. If the light reflected from several rows of the connecting legs is to be imaged on a single sensor unit in a single receptacle, then several mirrors are required (e.g. four rows require at least four mirrors). The method and measuring device according to the invention enable the arrangement of all measuring components on one side of the component to be measured at a distance of several millimeters from the component. Therefore, the measuring device can be moved over a tray with components without mechanical collision, or the tray under the measuring device. Both the positioning and the measurement can be carried out without touching a component by merely positioning the tray as a whole. Furthermore, it is advantageous that the measurement can be carried out with only one sensor unit, since such an arrangement is inexpensive and the measuring operation is easy to handle. This also results in a low maintenance, adjustment and calibration effort. The measuring device works with only one sensor unit, z. B. with only one CCD camera on which both views are imaged in the form of a picture, which by means of an optical arrangement which deflects the beam path of the second view of the end of the connecting leg in such a way that it reaches the sensor unit of the sensor arrangement and is imaged there is made possible. The beam paths of the reflected light directed directly to the sensor element and the deflected light are parallel (telecentric image), as already described above. The requirements for the mechanical accuracy of the described measuring device or the measuring head thereof and the positioning relative to the component to be measured can be comparatively easily met even when using several mirrors. A measuring head with a sensor unit, lighting and a Spiegelanordnug with several mirrors, the components being fixed relative to each other, can have a deviation in its positioning to the component by several 0.1 millimeters without affecting the accuracy of measurement. This is only dependent on the constancy of the relative position of the individual components of the measuring head. These can be rigidly connected to one another. The exact mounting of the mirrors in positions determined by the design is not necessary. Rather, the mirrors can be mounted with large tolerances (0.1mm). After a rigid connection has been established between the optical deflection arrangement (mirrors) and the sensor unit (CCD camera), the measuring device itself can first measure the exact positions and angles of the mirrors using a suitable calibration piece. This takes place in that several image recordings are offset against one another, which, when the measuring head is shifted by a few 0.1 mm each, from one and the same calibration piece (for example exactly measured, rectangular metal plate). All mounting angles and mounting positions of all mirrors can be calculated from the different locations, o the edges of the calibration piece at different positions of the measuring head, according to the known stereometric formulas. After the calibration process, the accuracy is maintained as long as the rigid connection between the mirror and the camera is not released.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind, näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to exemplary embodiments which are shown in the following figures.
Es zeigen :Show it :
Fig. 1 Eine Skizze, die das Prinzip des Verfahrens erläutert.Fig. 1 A sketch that explains the principle of the method.
Fig. 2 Eine Prizipskizze des Verfahrens mit einer optischen Umlenkanordnung mit jeweils zwei Spiegeln.2 shows a basic sketch of the method with an optical deflection arrangement with two mirrors each.
Fig. 3 Ein Bild in der Sensoreinheit bei Vermessung eines Bauelementes mit zwei Reihen von Anschlußbeinen.Fig. 3 An image in the sensor unit when measuring a component with two rows of connecting legs.
Fig. 4 Ein Bild in der Sensoreinheit bei Vermessung eines Bau¬ elementes mit vier Reihen von Anschlußbeinen.4 shows an image in the sensor unit when measuring a component with four rows of connecting legs.
Fig. 5 Eine Prinzipskizze der Konstruktion des Meßkopfes der Meßeinrichtung.Fig. 5 is a schematic diagram of the construction of the measuring head of the measuring device.
In Fig. 1 ist schematisch ein Halbleiterbauelement 1 mit an zwei Seiten angeordneten Anschlußbeinreihen 2 dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 ist von oben durch eine Lichtquellenan¬ ordnung 9 großflächig beleuchtet. Das vom Ende eines jeden An¬ schlußbeines 2 reflektierte Licht wird durch eine Sensorein¬ heit-Abbildung (Kl, K2) nachgewiesen. Es sind lediglich zwei Ansichten der Enden der Anschlußbeine 2 einer Reihe notwendig, um die Reihe dreidimensional zu vermessen. Die Abbildung Kl der ersten Ansicht weist für die drei verschiedenen Anschlu߬ beine 2 die Koordinaten x^y^ , x^y^ und x^y-» .Diese Ansicht bildet die xy-Ebene der Anschlußbeine ab. Die zweite Ansicht K2 der Enden der Anschlußbeine 2 bildet die Ebene xz' ab. Die Koordinaten sind hier X3Z3 -
Figure imgf000010_0001
unc x1 zι • D:i-e beiden Strahlengänge A,B (der ersten und der zweiten Ansicht) verlau¬ fen unter einem Winkel t zueinander. Aufgrund der rechneri¬ schen Auswertung ergibt sich die dritte Dimension (z-Koordina- te) jeden Anschlußbeines zuIn Fig. 1, a semiconductor device 1 is shown schematically with two rows of legs arranged on two sides. The semiconductor component 1 is illuminated from above by a light source arrangement 9 over a large area. The light reflected from the end of each connecting leg 2 is detected by a sensor unit image (K1, K2). Only two views of the ends of the connecting legs 2 of a row are necessary in order to measure the row three-dimensionally. The figure Kl The first view shows the coordinates x ^ y ^, x ^ y ^ and x ^ y- »for the three different connecting legs 2. This view shows the xy plane of the connecting legs. The second view K2 of the ends of the connecting legs 2 shows the plane xz '. The coordinates here are X3Z3 -
Figure imgf000010_0001
unc x 1 z ι • D: i - e two beam paths A, B (the first and the second view) run at an angle t to each other. On the basis of the computational evaluation, the third dimension (z coordinate) is given to each connecting leg
z =
Figure imgf000010_0002
z =
Figure imgf000010_0002
Die Prinzipskizze erläutert, daß aufgrund der Aufnahme und Vermessung von zwei Ansichten eines jeden Anschlußbeines 2 ei¬ ner Reihe eine dreidimensionale Vermessung desselben möglich ist. Die von der zweiten Ansicht eines jeden Anschlußbeines 2 reflektierten Strahlen B werden durch eine optische Um¬ lenkanordnung auf die Sennsoreinheit 7 projiziert. Dabei wird die erste Ansicht des Anschlußbeinendes direkt auf der Sen¬ soreinheit 7 abgebildet (Strahlengang A) und die zweite Ansicht auf derselben Sensoreinheit 7 (z.B. auf demselben CCD- Chip) dadurch abgebildet, daß der reflektierte Lichtstrahl B zunächst auf einen Spiegel 3 auftrifft und von diesem so re¬ flektiert wird, daß er paralell zum ersten Strahlengang A ver¬ laufend, auf die Sensoreinheit 7 auftrifft. Das bei dieser An¬ ordnung von Anschlußbeinen entstehende Bild auf der Sensoreinheit 7 ist in Figur 3 dargestellt. In der Mitte des Bildes ist das gesamte Bauelement 1 abgebildet; seitlich des Bildes sind die beiden Anschlußbeinreihen 2 abgebildet. Die in der Bildmitte befindliche Abbildung der Anschlußbeine und des Bauelementes 1 entsteht durch die direkte Aufnahme des reflek- tiertenn Strahlenganges A auf der Sensoreinheit, die seitli¬ chen Bilder entstehen durch die Abbildung des durch die opti¬ sche Umlenkanordnung (Spiegel 3) umgelenkten, reflektierten Strahlenganges B der zweiten Ansicht der Anschlußbeinreihe 2.The schematic diagram explains that a three-dimensional measurement of the same is possible due to the recording and measurement of two views of each connection leg 2 of a row. The rays B reflected from the second view of each connecting leg 2 are projected onto the sensor unit 7 by an optical deflection arrangement. The first view of the end of the leg is imaged directly on the sensor unit 7 (beam path A) and the second view on the same sensor unit 7 (for example on the same CCD chip) by the reflected light beam B first striking a mirror 3 and it is reflected so that it runs parallel to the first beam path A and strikes the sensor unit 7. The image formed on sensor unit 7 in this arrangement of connecting legs is shown in FIG. The entire component 1 is shown in the middle of the picture; the two rows of connecting legs 2 are shown to the side of the picture. The image of the connecting legs and the Component 1 arises from the direct recording of the reflected beam path A on the sensor unit, the lateral images result from the imaging of the reflected beam path B deflected by the optical deflection arrangement (mirror 3) of the second view of the connecting leg row 2.
In Figur 4 ist ein Bild der Sensoreinheit dargestellt, welches bei der Vermessung eines Bauelementes 1 mit vier Anschlußbein¬ reihen entsteht.FIG. 4 shows an image of the sensor unit which arises when measuring a component 1 with four rows of connecting legs.
In Fig. 2 ist eine mögliche Anordnung dargestellt, bei der ein Bauelement 1 so groß ist, daß die außen gelegenen Spiegelan¬ sichten nur unvorteilhaft abgebildet werden könnten, und bei der durch die Anordnung von zwei Spiegel 4,5 eine solche Um¬ lenkung des Strahlenganges möglich ist, daß die optischen Da¬ ten der beiden Ansichten der Anschlußbeine auf der Sensorein¬ heit innen liegend abgebildet, registriert und vermessen werden können.FIG. 2 shows a possible arrangement in which a component 1 is so large that the exterior mirror views could only be reproduced disadvantageously, and in which such a deflection of the It is possible for the beam path that the optical data of the two views of the connection legs lying on the inside of the sensor unit can be imaged, registered and measured.
In Fig. 5 ist schematisch die Konstruktion des Meßkopfes der Meßeinrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfah¬ rens dargestellt. Der Meßkopf weist ein Gehäuse 6, eine Sen¬ soreinheit 7 in Form einer CCD-Kamera mit einem telezentri- schen Meßobjektiv 8, und eine Auswerteeinheit 12 auf. Das Gehäuse 6 dient gleichzeitig als Lichttubus für die Lichtquel¬ lenanordnung 9. Die Lichtquellenanordnung 9 weist eine sich in Erstreckungsrichtung des Tubuses 6 erstreckende längliche Lichtquelle 10 und eine Wand 11 auf,die z.B. aus Milchglas besteht. Die Lichtquelle 9 kann durch einzelne Glühlampen, Leuchstoffröhren, LED's oder Entladungslampen gebildet sein. Die Wand 11 gewährleistet daß die Leuchtkörper eine diffuses Licht bilden, welche Maßnahme für die großflächige und gleich- mäßige Beleuchtung des zu vermessenden Bauelementes 1 und sei¬ ner Anschlußbeine 2 wesentlich ist. Im Gehäuse 6 sind ferner die Spiegel 3,4 angeordnet.5 schematically shows the construction of the measuring head of the measuring device for carrying out the method described above. The measuring head has a housing 6, a sensor unit 7 in the form of a CCD camera with a telecentric measuring lens 8, and an evaluation unit 12. The housing 6 also serves as a light tube for the light source arrangement 9. The light source arrangement 9 has an elongated light source 10 extending in the direction of extension of the tube 6 and a wall 11, which consists, for example, of frosted glass. The light source 9 can be formed by individual light bulbs, fluorescent tubes, LEDs or discharge lamps. The wall 11 ensures that the luminous bodies form a diffuse light, which measure for the large-area and equally moderate lighting of the component 1 to be measured and its connecting legs 2 is essential. The mirrors 3, 4 are also arranged in the housing 6.
Wesentlich ist, daß bei einer einfachen und unkomplizierten Bauweise alle für die Meßgenauigkeit wesentlichen Bauteile starr zueinander zugeordnet werden können. Dadurch wird die erforderliche Meßgenauigkeit selbst dann erreicht, wenn die gesamte Meßeinrichtung relativ ungenau zum Bauteil 1 bzw. zum Tray angeordnet wird. It is essential that with a simple and uncomplicated construction, all components essential for the measuring accuracy can be rigidly assigned to one another. As a result, the required measuring accuracy is achieved even if the entire measuring device is arranged relatively inaccurately with respect to component 1 or to the tray.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur berührungslosen, dreidimensionalen optischen Vermessung der Geometrie von Anschlußbeinen bei Halbleiter- Bauelementen von integrierten Schaltungen, insbesondere Bau¬ elementen mit von vier Seiten in vier Reihen angeordneten An¬ schlußbeinen , wobei das Licht auf das Bauelement und die zu vermessenden Anschlußbeine auftrifft und das von den Anschlu߬ beinen reflektierte Licht durch eine Sensoranordnung regi¬ striert und gemessen und in einer Auswerteeinheit so ausgewer¬ tet und aufgrund dieser Information die dreidimensionale Position eines jeden Anschlußbeines bestimmt wird und wobei das Bauelement während des Meßvorgangs im Tray verbleibt, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Anschlußbeine (2) durch diffuses Licht großflächig beleuchtet werden und das von zwei Ansichten der Enden der in einer Reihe liegenden Anschlußbeine (2) re¬ flektierte Licht (A.B) in einer einzigen Sensoreinheit (7) gleichzeitig abgebildet wird, wobei das von der ersten Ansicht reflektierte Licht (A) direkt zu der Sensoreinheit (7) gelangt und das von der zweiten Ansicht und eventuellen weiteren An¬ sichten reflektierte Licht (B) über optische Umlenkanordnungen zu der Sensoreinheit (7) gelangt, und daß aus diesen optischen Daten die dreidimensionale Position (x,y,z) der Anschlußbeine (2) rechnerisch bestimmt wird.1. Method for non-contact, three-dimensional optical measurement of the geometry of connection legs in semiconductor components of integrated circuits, in particular components with connection legs arranged on four sides in four rows, the light striking the component and the connection legs to be measured and the light reflected from the connecting legs is registered and measured by a sensor arrangement and so evaluated in an evaluation unit and the three-dimensional position of each connecting leg is determined on the basis of this information and the component remains in the tray during the measuring process, thereby characterized in that the connecting legs (2) are illuminated over a large area by diffuse light and the light (AB) reflected from two views of the ends of the connecting legs (2) lying in a row is simultaneously imaged in a single sensor unit (7), the from the first view r Reflected light (A) reaches the sensor unit (7) directly and the light (B) reflected by the second view and any further views reaches the sensor unit (7) via optical deflection arrangements, and that the three-dimensional position is obtained from this optical data (x, y, z) of the connecting legs (2) is determined by calculation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Daten bei kontinuierlicher Beleuchtung aufgenommen werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that the optical data are recorded with continuous illumination.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Daten bei Blitz-Beleuchtung aufgenommen werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the optical data are recorded with flash lighting.
4.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Aufnahmen von zwei Ansichten der Enden der Anschlußbeine an einer Stelle eines jeden Anschlußbeines durch Registrierung des unter verschiedenen Winkeln ( ) reflektier¬ ten Lichts (A,B) aufgenommen werden.4.The method according to any one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the recordings of two views of the ends of the connecting legs at one location of each connecting leg by recording the at different angles () reflecting light (A, B) become.
5. Meßeinrichtung zur Vermessung von Anschlußbeinen (2) bei Halbleiter-Bauelementen (1) von integrierten Schaltungen, ins¬ besondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor¬ angegangenen Ansprüche, mit einem Meßkopf mit einer Lichtquel¬ le (9 ) für flächige Beleuchtung des Bauelementes (1 ) , mit einer Sensoreinheit (7) zur Aufnahme der optischen Daten des von dem Bauelement (1) reflektierten Lichts (A,B), und mit ei¬ ner optischen Anordnung zur Umlenkung des Strahlenganges (B) des von der zweiten Ansicht des Anschlußbeinendes reflektier¬ ten Lichts und mit einer Auswerteinheit (12) zur Berechnung der dreidimensionalen Position (x,y,z) der Anschlußbeine (2).5. Measuring device for measuring connecting legs (2) in semiconductor components (1) of integrated circuits, in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, with a measuring head with a Lichtquel¬ le (9) for area lighting of the component (1), with a sensor unit (7) for receiving the optical data of the light (A, B) reflected by the component (1), and with an optical arrangement for deflecting the beam path (B) of the second View of the connecting leg end of reflected light and with an evaluation unit (12) for calculating the three-dimensional position (x, y, z) of the connecting legs (2).
6. Meßkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (7= für das reflektierte Licht eine CCD-Kamera ist.6. Measuring head according to claim 5, characterized in that the sensor unit (7 = for the reflected light is a CCD camera.
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeich¬ net, daß die optische Umlenkanordnung durch optische Spiegel (3,4) gebildet ist, die so angeordnet sind, daß der Strahlen¬ gang (B) des reflektierten Lichts die Sensoreinheit (7) er¬ reicht. 7. Measuring device according to claim 5 or 6, characterized in that the optical deflection arrangement is formed by optical mirrors (3, 4) which are arranged such that the beam path (B) of the reflected light is the sensor unit (7) ¬ is enough.
8. Meßkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (3,4) so angeordnet sind, daß Paralellität der reflek¬ tierten Strahlengänge (A,B) für beide Ansichten beim Auftref¬ fen auf die Sensoreinheit (7) gewährleistet ist.8. Measuring head according to claim 7, characterized in that the mirrors (3, 4) are arranged in such a way that parallelism of the reflected beam paths (A, B) is ensured for both views when they strike the sensor unit (7).
9. Meßeinrichtung nach einem der Anspüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der optischen Spiegel (3,4) veränderbar und dem zu vermessenden Bauelement ( 1) und den Verfahrensbedingungen anpassbar ist.9. Measuring device according to one of claims 7 or 8, characterized in that the position of the optical mirrors (3, 4) can be changed and the component to be measured (1) and the process conditions can be adapted.
10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (9) durch Leuchtstofflam¬ pen,Glühlampen, LED's oder Entladungslampen gebildet ist und in einem Gehäuse (6) angeordnet ist, welches den Raum zwi¬ schen dem zu vermessenden Bauelement ( 1 ) und der Sensorein¬ heit (7) einschließt. 10. Measuring device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the light source (9) pen by Leuchtstofflam¬, incandescent lamps, LED's or discharge lamps and is formed is arranged in a housing (6) which rule the space zwi¬ the component to be measured (1) and the sensor unit (7).
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